基于本体的虚拟会展产品信息知识表达

严　波　薛澄岐　姚干勤

(1东南大学机械工程学院，南京　211189)(2河海大学机电工程学院，常州　213022)



基于本体的虚拟会展产品信息知识表达

严波1，2薛澄岐1姚干勤1

(1东南大学机械工程学院，南京211189)
(2河海大学机电工程学院，常州213022)

摘要:为了使虚拟会展产品信息知识中的工程设计和工业设计2个不同设计领域知识具有统一的设计认知描述，在传统FES和FBS设计认知模型基础上进行了扩展，建立了全面和统一的UEFBS设计认知模型．通过引入本体理论和技术，对虚拟会展领域产品信息知识中的概念、术语及其相互关系进行了提取和规范化描述，建立了虚拟会展领域产品信息知识本体模型，并结合加湿器实例进行具体表述．结果表明，建立在2种领域知识统一设计认知模型基础上的虚拟会展领域产品信息更加符合人的设计认知习惯，形式化的加湿器产品信息本体模型概念明确、组织清晰、表达规范，有利于虚拟会展用户全面、准确地了解和共享加湿器产品的设计信息知识．

关键词:本体;虚拟会展;工程设计;工业设计

引用本文:严波，薛澄岐，姚干勤．基于本体的虚拟会展产品信息知识表达［J］．东南大学学报(自然科学版)，2016，46(1) : 42－48．DOI: 10．3969/j．issn．1001－0505．2016．01．008．

随着市场竞争的加剧，企业更加注重产品信息的传播、展示和体验等活动，用户都希望通过进一步了解产品的设计和生产过程信息来选择适合自己需求的产品．传统的方式是通过举办展览会的形式进行，需要花费大量的人力和时间成本．现在可以通过虚拟会展的形式来进行［1］．

现有对虚拟会展的研究主要围绕虚拟展示的技术［2－4］，缺乏对虚拟会展领域产品信息知识管理的研究．虚拟会展领域发展首先需要解决2个问题:①产品信息多，需要选择虚拟会展产品信息知识的领域和范围;②虚拟会展产品信息知识的组织和表达．

虚拟会展领域主要包含工程设计和工业设计2个领域和类型的知识，两者设计认知模式并不一致．工程设计领域知识属于原理性知识，容易获取和形式化，而工业设计领域知识属于陈述性知识，不容易获取和形式化．需要在统一设计认知模型的基础上采用适当的知识形式，对虚拟会展产品信息知识进行组织和表达．

本文通过对虚拟会展领域知识基本概念和特性的分析，建立工程设计和工业设计两大领域知识的统一设计认知模型，并在此基础上引入本体理论和技术进行知识本体的构建．最后利用加湿器虚拟会展系统对该方法进行验证．

1　虚拟会展领域设计认知模型

1．1设计过程中的认知模型

虚拟会展主要提供工程设计和工业设计2个领域和类型的产品设计知识．从设计认知角度2个领域知识存在明显差异．FES(function-effect-solution)模型是一种描述工程设计领域中技术功能知识如何实现的系统化设计方法．该模型中，首先将技术功能映射成广义物理效应，然后再具体化到原理解．该模型适用于在概念设计阶段以抽象的技术功能为出发点，实现原理解创新．然而设计过程中的产品知识并非都是从技术功能到结构这类实现方式，也包含有大量工业设计领域的非技术功能驱动设计．FBS(function-behavior-structure)模型是在已有经验构建设计原型的基础上，从本质上对已有设计知识的运用．设计创新的关键在于新知识的获取，特别是在概念设计阶段应尽可能地拓宽解空间，而现有FBS模型没有考虑这个问题．因此需要在现有模型的基础上，对设计认知模型进行拓展，加入包含对工业设计领域的非技术功能的描述．

1．2 UEFBS设计认知模型

本文参考FES和FBS模型，并在此基础上进行扩展和改进，提出了UEFBS模型．与FES和FBS模型相比，UEFBS模型主要有以下几个优势:

①UEFBS设计认知模型包含了工业设计领域知识的描述．认知模型中所有的知识环节基本都包含工程设计与工业设计2个领域知识概念，不同领域知识概念既有区分又有联系．

②在UEFBS设计认知模型中，设计不再以FES和FBS模型中的技术功能F为出发点，而是以用户知识U和环境知识E为设计出发点．虚拟会展平台系统主要目的是通过产品信息的展示来吸引用户．环境知识的引入可以说明产品在怎样的环境下受用户的关注，因此用户知识和环境知识是虚拟会展系统中最重要的部分．

③UEFBS设计认知模型中“用户知识”代替了FES和FBS认知模型中的用户意图概念．用户意图概念仅是从工程设计的角度提出，只满足用户物质功能需求，而从工业设计角度提出的大量的非物质功能需求，则与用户的相关背景知识有关．

UEFBS设计认知模型如图1所示．

图1　UEFBS设计认知模型

UEFBS模型中对象元素的基本定义和设计过程见表1和表2．

表1中每个变量都可以看作是一个对象，每一个对象都可以包括若干属性和相对应的属性值，本文采用面向对象的方法来表示上述定义中的变量．首先给出属性的形式化定义，然后给出各概念的形式化定义．

表1　UEFBS设计认知模型中对象元素的意义

表2　设计认知模型中设计过程的具体描述

定义1用户知识U用二元组U = (UN，UB)表示，用户知识包括用户需求知识UN和用户背景知识UB两部分:

①UN用三元组UN= (UNE，UNU，UNP)表示．UNE表示用户对产品的意象，即用户对产品的情感需求表达; UNU表示用户的使用评价; UNP表示用户的“购买热点”．

②UB表示用户的背景知识，包括用户的文化程度UBED、生活方式UBL、消费习惯UBC和经济能力UBEC等用户背景知识．

定义2设计功能F用二元组F = (FVNP，FIOF)表示，这里的产品设计功能均表示产品技术功能，产品非技术功能在设计约束中表示，其中:

①FVNP表示产品的技术功能，采用动名词对来抽象描述，如用汽化、加热描述热蒸发型加湿器的主要技术功能．

②FIOF表示输入－输出流，主要包括能量流、物料流和信号流，如超声波加湿器将电能转换成机械能的功能．

此处定义的设计功能F仅针对技术功能，对于非技术功能仅作为设计约束条件来处理．

定义3设计结构S用三元组S = (SF，SN)表示，其中:

①SF表示设计结构中的功能性设计结构．通过产品形态结构解构方法，SF又可以进一步分为输入功能部件SFI和输出功能部件SFO．

②SN表示设计结构中的非功能性设计结构，主要指与功能部件相对应的装饰美观等非技术功能作用的部件．

定义4结构行为B用二元组B = (BF，BN)表示，其中:

①BF表示功能设计行为，是指产品在运行时所表现出的与系统主要技术功能实现相关的行为．BF由二元组BF= (BFS，BFO)组成，BFS表示产品结构行为，行为的执行主体是产品结构，行为的结果就是实现功能．BFP表示用户操作行为，通常以传统功能为主的产品设计中只是分析用户想要什么，很少分析用户通过何种动作行为序列(即如何操作产品)，忽略了以人为本的产品使用行为方式的研究，而这是工业设计领域产品设计区别于工程设计领域产品设计的主要不同点之一．

②BN表示非功能设计行为，是指设计结构在给定输入条件后在运行时所表现出的与系统主要技术功能实现无关的行为．如加湿器可以作为一种装饰品，与产品本身技术功能产生的加湿空气等功能设计行为无关，表现为一种装饰、美化环境的非功能设计行为．

定义5设计原理P用二元组P = (PF，PN)表示，其中技术功能性的设计原理PF用三元组PF= (PFE，PFD，PFW)表示，非技术功能性的设计原理PN用三元组PN= (PNS，PNA，PNC)表示．

①PFE表示效应，用于描述实现某一或某些功能的基本原理类别．效应是一个分类集合，如光电效应、电磁效应、热效应等．

②PFD表示学科原理，是实现属性间关联关系的原理知识，如牛顿定律等．

③PFW表示功能设计原理，是实现功能的原理结构，如杠杆原理等．

④PNS表示形态设计原理，是实现产品外观形态的基本设计美学原理，如极限原理PNSL等．

⑤PNA表示形态美学创造法则，如均衡与稳定法则PNABS等．

⑥PNC表示形态构成的普遍法则，设计者如何创新地、合理地把多个单一形体有机组合起来，构成形状独特而美观的造型体，是工业设计中形态构成的核心内容．形态构成的普遍法则包括形体组合PNCF等．

定义6环境知识E用二元组E = (EF，EN)表示，其中:

①EF表示空气、天气、室内外等自然环境因素，对产品设计对象正常运行需要依赖的功能性使用环境条件约束，如环境湿度EFH、环境温度EFT等．

②EN表示非自然环境因素对产品设计对象正常运行需要依赖的非功能性使用环境条件约束，EN用二元组EN= (ENS1，ENS2)表示．

③ENS1表示社会环境，主要包括文化环境ENS1C等对产品设计对象所产生的影响．

④ENS2表示产品服务环境．产品服务环境如购买之前的产品体验，在产品全生命周期中越来越显示其重要性，已经成为用户对企业产品产生认可的重要渠道．产品服务环境包括产品展示ENS2E1、产品营销ENS2M1、产品体验ENS2E2等服务环节．

定义7设计约束用二元组C = (CF，CN)表示，CF表示技术功能性的设计约束，由二元组CF= (CFG，CFP)组成，CN表示非技术功能性的设计约束，由三元组CN= (CNF，CNB，CNP)组成，其中:

①CFG表示产品几何属性约束，包含尺寸约束CFGS等．

②CFP表示产品物理属性约束，包含材料约束CFPM等．

③CNF表示产品形象，体现了产品的个性和差异化属性，用CNF= (CNFS，CNFF)二元组表示，具体表现为产品风格CNFS和产品形状CNFF等非技术功能约束．

④CNB表示产品品牌．品牌是一种生活方式的象征，是产品技术功能以外的非技术功能，具有“荣誉消费”的功能．CNB包含品牌广告CNBA等内容．

⑤CNP表示产品包装．产品的包装除了保护商品和便于运输的技术功能外，还具有宣传广告、美化产品、提高产品附加值的非技术功能．

将产品设计功能F的量值放在设计约束C中是基于扩大设计功能原理解空间的考虑．如果在产品概念设计阶段寻求功能原理解方案时就参考具体的功能数量值，则有可能会限制设计问题求解空间，因此将产品设计功能F的量值放入设计约束C中作为评价设计方案是否符合功能需求的依据．在UEFBS模型中设计约束C是所设计产品需要满足的具体化和详细设计的依据，也是对设计进行评估和决策的依据．

定义8设计方案D可以用二元组D = (DE，DI)表示，其中:

①DE表示与工程设计领域相关的设计方案，主要包括产品零件图、装配图和原理图等．

②DI表示与工业设计领域相关的设计方案，主要包括设计草图、设计效果图和人机界面分析图等．

1．3基于UEFBS设计认知模型的设计业务流程

描述

UEFBS设计认知模型是对虚拟会展系统中产品的设计业务流程的描述．UEFBS设计认知模型的设计流程中所采用的设计行为描述采用与已有研究保持一致性的描述词汇，如任务明确阶段采用制定(formulation)，设计原理确定采用综合(synthesis)，设计结构实现采用实施(embodiment)等．关于设计行为和设计过程的详细描述见表2．

2　本体理论及技术

2．1本体理论和技术的引入

UEFBS设计认知模型是针对虚拟会展产品设计过程中存在的工程设计和工业设计2种不同设计业务流程的统一设计认知的描述．这2种不同设计业务流程中分别包含工程设计和工业设计两大领域知识，存在知识概念重复、有歧义、有偏差等现象，需要有统一和形式化的知识表达．为了解决这一问题，本文引入了本体理论和技术．本体的目标就是捕获工程设计和工业设计2个领域中的知识，提供对2个领域知识的共同理解，确定2个领域内共同认可的词汇(术语)，并从不同层次的形式化模式给出这些词汇(术语)和词汇(术语)之间相互关系的明确定义．

2．2本体的定义

本体最早是一个哲学上的概念，是表达哲学理论的一个术语．一般来说一个本体包含5种元素:概念(classes)、属性(property)、实例(instances)、关系(relations)和公理(axioms)．

相对于一般知识库中的知识，本体是知识库的元知识，包含了对领域知识的进一步分析，因此本体可以看作是一种特殊的知识库——本体知识库．本体提供了构造知识库所需要的基本词汇并说明了它们之间的关系，对于整个知识库的组织构造至关重要，可以说本体是知识库的骨架．从20世纪90年代初起，本体概念被广泛地引用到计算机领域尤其是人工智能和知识工程的研究领域［5］．产品设计领域也引入本体理论和技术进行研究［6］，但基本局限于产品工程设计领域［7－9］，产品工业设计领域的研究较少［10］，而且2个领域知识是各自单独研究，缺乏对2个领域知识统一组织和描述的知识本体模型．引入本体理论和技术可以在UEFBS设计认知模型的基础上对2种不同领域的知识进行统一的组织和表达．

2．3本体模型的构建

采用软件Protégé5．2本体编辑工具定义本体的类和类层次、属性关系以及实例，进行本体模型的构建，具体步骤如下:

①明确本体的领域知识及其覆盖范围．

②复用现有本体，查找是否有可复用的本体．③列举领域中的重要术语．

④定义本体中的类及类的关系．

⑤定义本体的属性．只有类的定义及类的层次关系，并不能给计算机提供可以理解的语义信息，因此需要通过定义相应的属性来定义类以及类与类之间的关系．

⑥定义属性的侧面，如属性值的类型、属性值的取值范围、属性值的数量以及其他的特征等．

⑦建立实例，完善本体．

2．4本体模型的总体构架

一个本体的构建需要有一个总体的架构，虚拟会展领域产品信息知识需求产生于每一个可能的产品设计活动，设计活动涵盖的范围越广，即过程粒度越粗，知识需求也就越抽象;反之，设计活动涵盖的范围越窄，即过程粒度越细，知识需求就越具体．本文根据UEFBS设计认知模型进行虚拟会展领域产品信息知识本体模型的总体构架，如图2所示．

图2　基于UEFBS本体模型的虚拟会展领域产品信息知识本体模型构架

3　实例验证

3．1加湿器产品信息知识本体模型的构建

前文构建的本体只是定义了整个虚拟会展平台产品信息知识本体的基本类和属性，相当于虚拟会展平台的通用本体或顶层本体，而对于具体的产品种类，需要进一步地设置类、属性和实例，主要涉及属性赋值和添加实例．下面以加湿器产品进行虚拟会展产品信息知识本体的实例设置和验证．

虚拟会展产品信息知识本体模型中的类分成产品目录本体、用户知识本体、功能知识本体、原理知识本体、结构知识本体、行为知识本体、环境知识本体、约束知识本体和设计方案知识本体九大类概念空间．

定义的属性应当可以反映加湿器的主要特征．除了涉及到的通用属性外，还有产品自身固有的属性，如加湿器尺寸等．定义一个加湿器的属性模板，既全面地描述加湿器的主要特征，又使属性的定义更加清晰和规范，图3为部分数据属性．

除了数据属性外，还有对象属性．对象属性反映了加湿器各种概念之间的关系，如加湿器的某实例产品H201507150001与用户知识本体、设计功能本体、设计约束本体等类概念空间中其他子类或实例之间的关系，如图4所示．

在实例设置时，如果某概念不需要细分，那么这个概念就是最小概念，就可以设置为实例．如加湿器的各种属性值、具体约束条件等都可以设置成实例．

3．2加湿器知识本体模型的可视化展示和查询

虚拟会展领域产品信息知识本体构建完成后，可以使用可视化模块OntoGraf对本体概念和概念间的关系进行可视化显示．OntoGraf支持对本体关系的交互式导航，支持自动组织本体结构的各种布局，支持不同类、实例、对象属性的领域和范围、等价类等关系的可视化．不同对象属性关系可以使用不同的色彩进行区别，同时关系和节点类型可以被过滤，以得到不同的视图．

在Protégé5．2软件中可以方便地查找和应用信息，如运用DL Query模块，使用类名、属性名和属性值等方式进行查找，也可以同时运用几个查找条件，采用或和与的方式进行查找．查找条件可以存储，形成查找条件库，方便以后的查找和使用．图5是使用DL Query模块查询类用户知识本体，查询结果显示类用户知识本体的父类、等价类、直接子类、子类和所有实例．

图3　加湿器的数据属性描述

图4　加湿器的对象属性描述(局部)

图5　使用Protégé5．2中的DL Query模块进行可视化查询

3．3加湿器产品信息平台的测试与分析

在加湿器虚拟会展领域产品信息知识本体构建完成后，便可以利用Jena推理机将OWL文档转化为可供检索应用程序使用的格式，主要通过Jena开发包来实现OWL文件的解析和推理．Jena是由HP公司开发的语义网工具包，它基于Java的开放源代码，提供了开源的、基于本体的语义检索API，用于创建语义Web应用系统的框架结构，并为解析OWL，RDF等本体格式提供了编程环境及基于规则的推理引擎．Jena基于XML语法，是用于对OWL和RDF文件进行解析的解析器;具有基于规则的推理机子系统，用于检索过程中的推理．Jena推理机解析本体时，从现有的OWL本体文档中读取数据，编写Jena程序，当语义检索程序需要调用检索返回的数据时，Jena推理机提供程序需要返回的数据．

本文基于虚拟会展领域产品信息知识本体构建的加湿器产品展示和信息查询平台，采用B /S模式，基于J2EE框架的系统体系结构．客户端使用浏览器作为系统的门户，包括信息的录入、显示和查询等操作，为用户通过浏览器访问检索系统提供了一个基于Web的接口．用户通过客户端给HTTP服务器提交服务请求，HTTP服务器从接收到的消息中解析出查询请求，然后再转发请求给服务器端的Web服务器，Web服务器再把请求交给Servlet服务器组件，调用本体语义查询接口，搜索本体数据库中的信息．Servlet的主要功能在于交互式地浏览和修改数据，生成动态Web内容．Web服务器把推理查询的结果通过网页的形式发送给用户客户端．虚拟会展产品信息系统整体结构如图6所示．

根据上述信息系统的架构，构建了虚拟会展领域产品信息平台，该平台可以根据用户的需求进行产品信息的搜索，对符合加热功能和2．5～4．0 L水箱容积的加湿器搜索结果如图7所示．

图6　虚拟会展产品信息系统整体结构图

图7　加湿器产品具体内容显示界面

4　结语

与基于传统数据库平台的虚拟展示平台相比，基于本体的虚拟会展产品信息的检索是在本体层上进行检索，通过描述概念(类)之间的内在联系，可以发掘出那些隐含的、不明确的概念和信息，在查全和查准方面可以更好地满足用户要求．实验证明，本文所提出的基于本体建模方法构建的加湿器虚拟领域知识本体具有可行性和有效性．本系统目前还需要完善，功能有待进一步提高．

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Knowledge expression of virtual exhibition product information based on ontology

Yan Bo1，2Xue Chengqi1Yao Ganqin1
(1School of Mechanical Engineering，Southeast University，Nanjing 211189，China)
(2School of Mechanical and Electrical Engineering，Hohai University，Changzhou 213022，China)

Abstract:In order to establish consistent cognitive design descriptions to the knowledge in two different design fields，engineering design and industrial design knowledge existed in virtual exhibition product information，a more uniform and comprehensive user-environment-function-effectsolution (UEFBS) design cognitive model was established by expanding the traditional functioneffect-solution (FES) and function-behavior-structure(FBS) models．The ontology theory and its technology were employed to extract and normalize the concepts，glossary and their relations in virtual exhibition product information．The ontology model of virtual exhibition product information was set up and also described with an example of humidifier．Experimental results indicate that virtual exhibition product information based on two different design fields better agrees with people's design cognitive habits．As an example of virtual exhibition product，the formalized humidifier product information ontology model demonstrates accurate concepts，clear organization，and normative expression that can help users to comprehensively and accurately understand and share design information knowledge．

Key words:ontology; virtual exhibition; engineering design;industrial design

基金项目:国家自然科学基金资助项目(71271053)、教育部人文社会科学研究规划资助项目(12YJAZH134)、中央高校科研基金资助项目(2010B22514)．

收稿日期:2015-09-01．

作者简介:严波(1978—)，男，博士生，副教授;薛澄岐(联系人)，男，博士，教授，博士生导师，ipd_xcq@ seu．edu．cn．

DOI:10．3969/j．issn．1001－0505．2016．01．008

中图分类号:TP472

文献标志码:A

文章编号:1001－0505(2016) 01-0042-07